Les bases de l'usine intelligente et de la connectivité des automatisations discrètes

Une usine intelligente est une installation qui numérise tous les aspects de la fabrication ou de la production permettant la numérisation. Cette opération enregistre en continu les données via les appareils et systèmes connectés, puis diffuse ces données, permettant à la machine d'exécuter des programmes d'auto-optimisation. De tels programmes aident les usines à réduire le temps de production d'un produit final donné, à prévenir de manière proactive les problèmes de machines et à rationaliser les tâches de fabrication interdépendantes. Une approche globale de construction d’usines intelligentes qui exploite les outils cloud, l’intelligence artificielle, l’IoT industriel et l’analyse du Big Data pour surveiller les prévisions de la chaîne d’approvisionnement et déclencher la réaction des lignes de production devient de plus en plus adaptable.

Réseau prenant en charge les fonctions d'usine intelligente

Jetons maintenant un coup d'œil aux spécificités des connexions d'usine intelligente. Les protocoles industriels qui prennent en charge les fonctionnalités d’usine intelligente nécessitent souvent l’authentification des composants physiques. Les connexions CAT5e et CAT6 et Power over Ethernet (PoE) sont de plus en plus courantes dans les machines automatisées et les robots. De plus, les câbles flexibles CAT5e et CAT6 prennent en charge les réseaux Ethernet industriel (IE) CC-Link, et des ensembles de supports de câbles sont disponibles pour le marché nord-américain avec certification UL.

Considérez un contrôleur industriel qui prend en charge le réseau industriel CC-Link IE Field et permet l'échange de données jusqu'à 1 milliseconde pour le contrôle des appareils en temps réel. Certains de ces contrôleurs exploitent également le réseau pour la surveillance à distance, l'informatique de pointe, le calcul des données et l'intégration matérielle et logicielle. Ces contrôleurs sont généralement livrés avec Windows 10 IoT installé, mais peuvent également utiliser le système d'exploitation VxWorks et la plateforme ouverte Edgecross pour traiter et distribuer les données. Certains de ces ordinateurs industriels incluent même des écrans tactiles qui font également office d’interfaces homme-machine (IHM).

Le principal avantage de HIPERFACE DSL est qu'il permet d'acheminer la puissance du moteur et le retour de position via un seul câble, réduisant ainsi la complexité et les coûts. De plus, l'encodeur intelligent HIPERFACE DSL comprend une mémoire interne qui stocke les informations sur le moteur afin que, lors de la connexion initiale, le servomoteur puisse interroger ces informations pour faciliter le débogage automatisé du moteur.

De même, les solutions à câble unique basées sur des câbles Ethernet ou même sur ligne d'abonné numérique (DSL) améliorent les machines contenant des actionneurs linéaires, offrant souvent une compatibilité avec des amplificateurs de différents fabricants pour permettre une intégration rapide du contrôleur à l'actionneur.

Le câble unique IO-Link est également de plus en plus utilisé pour les connexions industrielles. Certains fournisseurs de moteurs intelligents ont commencé à intégrer les produits d'entrée de gamme IO-Link dans leurs produits de base afin de prendre en charge les capteurs connectables pour les concepts d'automatisation décentralisés. Bien entendu, les moteurs pouvant communiquer via Industrial Ethernet ou le bus CAN n'ont pas besoin d'être connectés au réseau IO-Link en tant que dispositifs auxiliaires.

IO-Link numérise également les connecteurs analogiques traditionnels sur les composants pour permettre une communication bidirectionnelle et des temps de mise en service plus rapides. Il n'est pas étonnant que certaines personnes utilisent des connexions IO-Link du côté contrôle pour prendre en charge plusieurs protocoles et s'interfacer avec des interfaces série.

Protocoles et connectivité cloud au service des fonctions d'usine intelligente

Considérez les différents protocoles et communications utilisés dans la connectivité IoT industrielle, tels que les architectures SCADA, MES et Enterprise Resource Planning (ERP). Ce sont les plus impliqués dans la convergence IT/OT (technologie opérationnelle) - impliquant généralement des tâches, des passerelles et d'autres connexions au niveau de l'entreprise pour permettre la configuration du système via un navigateur Web standard... ainsi que des ajustements opérationnels et d'autres opérations de gestion.

Pour être clair, une installation SCADA complète excelle dans la capture et le traitement du Big Data, la maintenance et l'utilisation des données historiques et l'exécution de routines analytiques. Cependant, les solutions d'usine intelligente permettent une configuration plus rapide des réseaux d'accès à distance, des systèmes informatiques de pointe et un contrôle central ou sur machine (IHM) des paramètres et des données de la machine associés.

Le langage de requête structuré (SQL) utilisé dans de nombreuses installations IIoT permet à la programmation de synchroniser les données et les journaux d'événements avec les serveurs de bases de données MySQL et MS SQL. L’avantage est que l’accès du personnel informatique est plus facile à mettre en œuvre que les alternatives reposant sur des contrôles. Cela est vrai que le système utilise un contrôle de base tel qu'un Raspberry Pi ou une interface de base de données IoT complexe sur PC qui nécessite souvent du matériel et des logiciels supplémentaires.

De plus, l'infrastructure, la plate-forme et les logiciels en tant que service (respectivement IaaS, PaaS et SaaS) ou les services cloud sont également largement adoptés pour prendre en charge une approche de conception IIoT à plusieurs volets (impliquant les logiciels, le matériel et la connectivité). Il s'agit notamment d'Alibaba Cloud, Tencent Cloud, Google Cloud, IBM Cloud et Oracle Cloud. Cependant, aux États-Unis, les deux principaux fournisseurs de services de cloud public pour l'automatisation des machines sont aujourd'hui :

• Logiciels et services cloud Amazon Web Services Inc. et AWS
• Logiciels et services cloud Microsoft Azure IoT Edge

Ces services cloud prennent principalement en charge l'utilisation de bases de données - hébergées via Amazon Simple Storage Service ou des compartiments S3 et des produits Amazon DynamoDB tels que tels que les services de bases de données, les applications en ligne et sur site et les capacités informatiques à la demande. Le service AWS Lambda est lié à ce dernier, qui permet à la programmation Python, Node.js, Java et C# de s'exécuter sur les serveurs du service. L’IHM permet aux utilisateurs finaux de profiter pleinement de ces capacités de l’IoT industriel.

Bien sûr, les services cloud ont également d'autres fonctions. Une partie de la pression en faveur d'AWS et d'Azure pour l'IoT industriel tient au fait que de plus en plus d'ingénieurs se sont habitués à construire leur propre infrastructure sur ces plates-formes. Après tout, les services de données basés sur le cloud libèrent les ingénieurs du travail de conception supplémentaire du matériel et des logiciels sous-jacents, pendant que le fournisseur effectue les tâches informatiques. AWS et Azure permettent également l'utilisation de logiciels qui résument le flux de données et la communication, simplifiant ainsi certains travaux de conception grâce à un environnement de développement doté d'une interface graphique attrayante, libérant ainsi les ingénieurs du traitement des détails de programmation.

Les services Cloud facilitent également l'ingénierie avancée grâce à des machines virtuelles qui exécutent des systèmes d'exploitation et des applications... les ingénieurs de conception ont le contrôle de ces machines virtuelles. Plus important encore, les services cloud peuvent prendre en charge divers services de communication sur des protocoles qui adoptent les principes de publication-abonnement, devenant ainsi le service maître de tous ces services. Cela élimine le besoin d'adressage fastidieux lors de la configuration du système.

Toutes ces fonctionnalités facilitent les capacités avancées, notamment l'apprentissage automatique pour classer et extraire des données, et faire des prédictions pour inciter les ajustements de la machine et de la production.

Une tendance connexe est l’utilisation croissante de portails cloud pré-organisés par les fournisseurs. Ces portails sont des services en ligne qui connectent les contrôleurs utilisateur et les IHM à écran tactile, offrant ainsi aux ingénieurs un moyen simple de démarrer avec l'IIoT. Les ingénieurs peuvent ensuite personnaliser les écrans et les tableaux de bord HMI en fonction des tendances et configurer les notifications par e-mail de l'IHM à l'aide du moteur de règles géré par le portail cloud. La liste des fonctions est longue. Certains arrangements permettent des mises à jour logicielles à distance des composants, ainsi que la visualisation à distance des visualisations Web des composants.

Les IHM et contrôleurs à écran tactile certifiés AWS GreenGrass Core exploitent essentiellement AWS, notamment AWS Lambda et Things Graph, pour permettre aux appareils de périphérie connectés, tels que les capteurs et les actionneurs, de traiter les données qu'ils génèrent localement et d'utiliser le cloud pour la gestion, le stockage et la gestion des données. analyse. Avec AWS IoT Greengrass, les appareils connectés peuvent également exécuter des conteneurs Docker à partir du service de conteneurisation de Docker Inc.

Rappelons que dans le contexte de la programmation industrielle, un conteneur est un logiciel exécutable qui contient le code, les outils système, le runtime, les bibliothèques et les paramètres requis pour exécuter une application de manière indépendante. Dans de nombreuses conceptions de machines, les conteneurs sont conçus pour communiquer et synchroniser les données avec d'autres systèmes, ou pour effectuer diverses prédictions, même lorsqu'ils sont déconnectés d'Internet. Les avantages de la création d'applications dans des conteneurs incluent :

• Facile à déployer sur les appareils
• Portabilité du logiciel, permettant une utilisation sur différentes plates-formes
• Sécurité améliorée en fournissant un bac à sable pour les applications des ingénieurs

Certains contrôleurs montés sur rail DIN et IHM accepter l'installation de Docker et, en fait, certains fournisseurs publient régulièrement des conteneurs prédéfinis pour étendre les services de ces produits.

Partout où l'IHM est connectée au cloud, elle peut fournir des informations pour l'analyse d'entreprise et l'amélioration opérationnelle continue dans certaines capacités IIoT. Cela est vrai pour les installations automatisées impliquant une à des centaines de machines. Les protocoles prenant en charge la fonctionnalité IIoT, y compris diverses formes de communications de données et de connectivité IHM aux appareils de périphérie, incluent :

• Architecture unifiée de communications à plateforme ouverte (OPC UA)
• Transfert d'état représentatif ou (REST) ​​​​et son interface de programmation d'application (API )
• Advanced Message Queuing Protocol (AMQP)
• Message Queuing Telemetry Transport ou MQTT

MQTT est au cœur de nombreuses structures de connectivité IoT et est un protocole qui permet une communication évolutive entre les capteurs et les appareils mobiles. Toute prise en charge intégrée des appareils pour MQTT est utile car elle s'applique aux services Amazon AWS IoT. De plus, MQTT (comme AMQP) est rationalisé et standardisé, et MQTT peut être implémenté sur des IHM de passerelle qui gèrent les données des appareils de terrain sur site et dans les systèmes cloud. Les IHM qui offrent le plus grand support MQTT doivent être connectées à des services à valeur ajoutée pour fournir des données traitées en périphérie dans des systèmes tiers et exécutées via des services cloud. Une telle IHM peut agir en tant qu'éditeur MQTT (et envoyer des messages au courtier) ou d'abonné (et demander des messages au courtier) ou de courtier (et gérer les données et les connexions à l'éditeur ou à l'abonné).

Le standard d’interopérabilité OPC UA est également indispensable pour exploiter pleinement les perspectives de la technologie IHM connectée. OPC UA inclut la communication publication-abonnement dans sa définition de spécification, il peut donc être utilisé comme alternative à MQTT pour transmettre des données vers le cloud. Le domaine du contrôle de mouvement attache la plus grande importance au protocole de communication standardisé OPC UA, complété par Time Sensitive Network (TSN) en tant que bus de terrain indépendant du fournisseur pour l'automatisation décentralisée. OPC UA avec TSN peut même rendre inutile un API supplémentaire – par exemple dans les machines utilisant des servomoteurs intégrés. Après tout, plus de systèmes que jamais bénéficient d'architectures distribuées contenant des moteurs intelligents et d'autres composants capables de traiter des commandes et d'effectuer des tâches telles que le mouvement et autres tout en communiquant avec d'autres appareils en temps réel. Dans certains cas, ce dernier peut inclure une IHM comme passerelle Edge pour gérer la logique des processus pour certains axes, ainsi que les connexions aux systèmes ERP et au cloud.

Exemple de la façon dont l'IHM utilise une connexion à une base de données MySQL

Le SQL mentionné précédemment est utilisé dans de nombreuses installations IoT industrielles. Ce système de gestion de base de données relationnelle est gratuit, open source et largement pris en charge. Il est également sûr et peut donc être intégré en toute sécurité dans l'IHM du contrôleur et le Panel PC. L'un des avantages de SQL est que l'accès du personnel informatique est plus facile à mettre en œuvre que les alternatives dépendantes du contrôle (qui nécessitent souvent du matériel et des logiciels supplémentaires). Cela est vrai qu'il s'agisse d'un simple contrôle de système comme un Raspberry Pi ou d'un système aussi complexe qu'un PAC avec une interface de base de données IoT.

En fait, SQL fonctionne également avec certaines IHM de contrôleurs pour collecter et afficher les données de la machine afin de faciliter la surveillance et l'analyse. Par exemple, la connexion d'une telle IHM à une base de données MySQL peut collecter, organiser et stocker des données dans une base de données flexible et fiable, facilitant ainsi l'accès et l'optimisation des opérations commerciales.

Certains logiciels de conception de fournisseurs peuvent aider les ingénieurs à utiliser MySQL via une IHM intelligente et à placer les données dans des feuilles de calcul Excel (ou des données tabulaires dans des fichiers dans d'autres logiciels couramment utilisés) pour :

• Afficher les informations dans l'interface IHM
• Synchroniser les données et les événements se connecte à un serveur MySQL distant sur votre réseau local
• Gérez les données sur le serveur

Les ingénieurs peuvent ensuite utiliser MySQL et MS Excel pour collecter, analyser et répondre aux données afin de prendre des décisions et des opérations d'optimisation plus intelligentes.

Ce qui précède est le contenu détaillé de. pour plus d'informations, suivez d'autres articles connexes sur le site Web de PHP en chinois!